《机器人操作系统（ROS）浅析》肖军浩译

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注：英文原文为《A Gentle Introduction to ROS》 【美】Jason M. O'Kane著

一、绪论

二、入门概述

1. 安装：参考 http://wiki.ros.org/cn

（1）sudo rosdep init　　初始化rosdep，rosdep用于检查和安装软件包的依赖

（2）rosdep update　　初始化rosdep，在根目录下保存一些文件，文件夹名为.ros

（3）source /opt/ros/ros版本/setup.bash

• 设置ROS_PACKAGE_PATH等环境变量，ROS根据这些环境变量来定位文件　　// 输入 export | grep ROS 判断是否配置完成
• setup.bash还定义了一些ros系统的bash函数，如roscd和rosls　　//这些函数定义在rosbash软件包中

（3）测试ROS是否正确安装

• roscore
• rosrun turtlesim turtlesim_node
• rosrun turtlesim turtle_teleop_key

注：三个终端分别执行指令

2. 常用术语和命令

（1）ROS功能包/软件包：一组用于实现特定功能的相关文件的集合，包括可执行文件和其他支持文件　　//任何能找到且包含package.xml文件的目录

注：使用catkin编译生成的可执行文件放在外部标准目录devel中（源码外编译）

（2）节点node：ROS程序的运行实例 running instance

（3）rosrun命令：启动ROS节点　　rosrun  功能包名  可执行文件名　　//节点名不一定与可执行文件名相同，可以使用 __name:=节点名 显式设置节点名称

• rosrun本质上是一个shell脚本，可以根据ROS的文件组织结构自动找到相应可执行文件　　//可以直接输入可执行文件的路径启动节点（等价的普通程序执行方式）
• 通过节点管理器master注册成为ROS节点发生在程序的源码内部，而不是通过rosrun命令

注：节点名称必须唯一，不可多个节点拥有相同名称

（4）消息传递机制：节点管理器负责确保发布节点和订阅节点能找到对方，随后消息从发布节点直接传递到订阅节点，不经过节点管理器转交

注：节点只管发，不管收，有助于减少节点之间的耦合度；话题可共享，话题和消息的通信机制是多对多的；服务是一对一的通信机制

（5）rosmsg show 消息类型名　　//输出消息类型的详细信息

（6）rostopic pub 话题名 消息类型 消息内容　　//命令行手动发布消息

注：消息内容可以按照rosmsg show命令的显示结果进行输入，也可以以YAML字典的形式输入（显式指明结构域中变量名和值的映射关系）

（7）每个消息类型均属于一个特定的包，如turtlesim/Color属于turtlesim包　　//消息类型斜杠/前的是包名，斜杠/后是类型名

注：把包名包含在消息类型中的目的：

• 能避免命名冲突　　//  geometry_msgs/Pose 和 turtlesim/Pose
• 在用到其他包的消息类型时，更容易表明包之间的依赖关系
• 有助于理解消息类型的含义

三、编写ROS程序

1. catkin编译系统试图一次性编译同一个工作区中的所有功能包

2. 创建功能包：catkin_create_pkg 包名　　//包名只允许使用小写字母、数字和下划线，且首字符必须为字母

3. 清单文件package.xml中声明的依赖库并不会在编译过程中进行检查，但是会在将包发布给他人时，他人会因为没有安装依赖库而编译报错

4. CMakeLists.txt中的${catkin_LIBRARIES}变量由find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)语句定义

5. source devel/setup.bash　　//专门为当前的工作区进行环境变量设置

6. 每个话题都有一个消息类型，而每个消息类型都有相应的C++头文件　　//包含消息类型头文件  #include<包名/类型名.h>  如#include<geometry_msgs/Twist.h>

注：头文件定义了一个与消息类型对应的C++类，且该类定义在以包名命名的域名空间中，如geometry_msgs::Twist类

7. ros::NodeHandle类维护一个引用计数，仅在第一个NodeHandle对象创建时才会在节点管理器注册新的节点　　//使用标准的roscpp接口，在单个程序中无法运行多个节点

8. 创建发布者ros::Publisher属于耗时操作，应该每个话题创建一个发布者，在程序执行过程中一直使用相应发布者　　//发布者创建不要放在循环内，避免为每条消息生成新的发布者

9. ros::ok()返回false条件：

• 使用rosnode kill命令终止节点
• 使用Ctrl+C发送终止信号　　//需要采用rosnode cleanup从节点管理器的列表中删除节点
• 调用ros::shutdown()　　//在代码中显式表明节点工作已完成
• 以相同节点名启动新的节点　　//新的节点将正常运行，而旧节点会被终止

10. 订阅者回调函数：void function_name(const package_name::type_name &msg){ ... }

• 调用回调函数是ROS执行，返回值也交给ROS，用户程序无法获得返回值，因此设置为void
• 回调函数指针为 &function_name，如程序中的 &poseMessageReceived　　// 取地址符&是可选的，但建议使用，编译器会根据函数名后面是否有括号，自动判断是指针还是函数调用 

11. 显式调用 ros::spin()或ros::spinonce()让ROS执行回调函数

四、日志消息　　//ROS使用log4cxx库实现日志功能

1. ROS日志系统的核心思想：使程序生成一些简短的文本字符流，即日志消息

2. 严重级别（递增）：DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL

3. 产生日志消息的基本C++宏

• ROS_DEBUG_STREAM(message)
• ROS_INFO_STREAM(message)
• ROS_WARN_STREAM(message)
• ROS_ERROR_STREAM(message)
• ROS_FATAL_STREAM(message)

注：日志系统是面向行的，调用任意宏会生成完整的一行日志消息　　//无需使用std::endl

4. 日志消息的输出　　

（1）控制台

• DEBUG和INFO消息被送至标准输出，WARN、ERROR和FATAL消息被送至标准错误
• 设置ROSCONSOLE_FORMAT环境变量调整日志消息打印到控制台的格式
• roslaunch工具默认不会将节点的标准输出和标准错误导入至自己的输入流，需显式使用 output="screen"属性或者--screen参数

（2）/rosout 话题：消息类型为rosgraph_msgs/Log

• 包含系统中所有节点的日志消息
• 查看消息内容：rostopic echo /rosout 或者 rqt_console

• rqt_console节点订阅/rosout_agg话题　　//后缀_agg表示消息是经过rosout节点聚合的结果
• /rosout话题发布的消息都通过rosout节点输出到/rosout_agg话题
• rosout是唯一一个订阅/rosout话题的节点，也是/rosout_agg话题唯一的发布者　　//减少调试代价

注：rosout即表示话题，也表示节点

（3）日志文件：作为/rosout话题回调函数的一部分，由rosout节点生成

• 文件名类似于：~/.ros/log/run_id/rosout.log　　//纯文本文件，用less、head、tail等命令查看
• 查看运行标识码run_id　　//节点管理器开始运行时基于MAC地址和当前时间生成

1. 查看roscore的输出结果：setting /run_id to run_id
2. 向节点管理器查询：rosparam get /run_id　　//run_id存放在参数服务器中

检查日志文件大小：rosclean check

删除日志文件：rosclean purge

5. 设置日志级别

（1）通过命令行设置：rosservice call /node-name /set_logger_level ros.包名 level　　// level参数包括DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL

注：参数ros.包名指定期望配置的日志记录器logger名称

（2）通过图形界面设置：rqt_logger_level

（3）通过C++代码设置：调用ROS实现日志功能的log4cxx提供的接口  #include<log4cxx/logger.h>

五、计算图源命名

1. 计算图源graph resource：节点、话题、服务和参数的统称，由短字符串表示的计算图源名称进行标识

2. 全局名称：/turtle1/cmd_vel　　//优点：任何地方都可以使用；缺点：需要完整列出其所属的命名空间

• 由前斜杠"/"作为首字符
• 由斜杠分开一系列命名空间，每个斜杠代表一级命名空间，如turtle1命名空间
• 命名空间用于将相关的计算图源归类在一起，ROS允许多层命名空间嵌套
• 最末为基本名称base name，如cmd_vel

3. 相对名称　　//利用ROS提供的默认命名空间

（1）典型特征：缺少全局名称带有的前斜杠"/"

（2）解析相对名称：将当前的默认命名空间名称加在相对名称之前，生成全局名称，如 /turtle1 + cmd_vel => /turtle1/cmd_vel

（3）设置默认命名空间：单独为每个节点设置　　//不设置，则使用全局命名空间"/"作为默认命名空间

• 在启动文件中使用命名空间ns属性
• 利用命令行参数 __ns:=default-namespace
• 利用环境变量设置shell：export ROS_NAMESPACE=default-namespace　　//仅当未设置__ns参数时才有效

优点：避免在移植和整合来自不同来源的节点时发生名称冲突

4. 私有名称　　//用于节点内部仅与本节点有关的资源，如参数

（1）典型特征：以一个波浪字符（~）开始

（2）与相对名称一致，不能完全确定自身所在命名空间，需要利用ROS客户端库进行名称解析

（3）不使用当前的默认命名空间，而采用节点名称作为命名空间，如  /sim1/pubvel + ~max_vel => /sim1/pubvel/max_vel

（4）私有名称可用于管理节点的服务，话题不能命名为私有名称

注：私有名称的关键字"private"仅表明不使用所在的命名空间，其他节点可以通过私有名称解析后的全局名称进行访问　　//仅在命名空间层面上有意义，注意与其他编程语言的不同

5. 匿名名称：非用户指定的无语义信息的名字

（1）一般用于为节点命名，使节点的命名保存唯一性

（2）调用ros::init方法时请求一个自动分配的唯一名称

• ros::init(argc, argv, base_name, ros::init_options::AnonymousName);

注：ros::init使用处理器时间在节点的基本名称后追加文本，保证名字的唯一性

六、启动文件

1. 目的：利用启动文件一次性配置和运行多个节点

2. 执行启动文件：roslaunch 包名 启动文件名　　//如果没有运行roscore，roslaunch会自动启动roscore

（1）如果启动文件不属于任何功能包，则可以直接以启动文件路径启动　roslaunch + 启动文件路径

（2）启动文件内的节点几乎是同一时刻启动，无法确定启动顺序，因此节点之间应尽量保持独立

（3）添加-v选项可以输出详细信息：roslaunch -v 包名 启动文件名

（4）查找启动文件时，roslaunch工具会同时搜索每个功能包目录的子目录

3. 启动文件基本元素

（1）根元素：<launch> ... </launch>

（2）启动节点：

<node

　　pkg=包名

　　type=可执行文件名

　　name=节点名

/>

• 标签末尾的斜杠"/"不可少，另一种方式为 <node pkg="..." type="..." name="..."></node>　　//显式给出结束标签
• 必需属性pkg，type，name（会覆盖ros::init设置的名称）
• 默认情况下，启动文件启动节点的标准输出被重定向至日志文件~/.ros/log/run_id/node_name-number-stout.log中
• 在节点元素中配置属性output="screen"可以在控制台终端输出信息
• 使用--screen 命令行选项在控制台显式所有节点输出：roslaunch --screen 包名 启动文件名

（3）请求复位：respawn="true"　　//当节点停止时，roslaunch会重新启动该节点，可用于应对软件崩溃、硬件故障等引起的节点中止

（4）必要节点：required="true"　　//当必要节点中止时，roslaunch会终止所有其他活跃节点，并退出；与respawn作用相互矛盾，不能同时配置

（5）roslaunch所有节点共享一个终端，针对依赖控制台输入的节点来说，需要维护独立的终端：使用启动前缀属性  launch-prefix="命令行前缀"

• roslaunch启动节点时调用相应的命令行工具rosrun
• 启动前缀相当于在rosrun前添加前缀，即示例中的launch-prefix="xterm -e" 等价于 xterm -e rosrun turtlesim turtle_teleop_key

3. 在命名空间内启动节点　　//通过配置节点元素的ns属性，压入命名空间

（1）尽管两个节点相对名称相同，但是由于命名空间不同，所以两个节点相互独立

（2）由于话题名称定义时采用的也是相对名称，所以话题也分别位于独立的命名空间

4. 名称重映射remapping names　　//从更精细的层面控制节点名称的修改

（1）基于替换的思想：每个重映射包含一个原始名称和一个新名称，每当节点使用原始名称时，ROS客户端库会将它自动替换为新名称

（2）创建重映射

• 命令行启动时，分别给出原始名称和新名称　　原始名称:=新名称　　//rosrun turtlesim turtlesim_node turtl1/pose:=tim
• 启动文件中，使用重映射元素：  <remap from="original-name" to "new-name"/>　　//若属性作为launch元素的子元素出现在顶层，则应用到所有后续节点

　　注：重映射元素也可以作为节点的子元素：<node ...> <remap from="original-name" to "new-name"/> </node>　此时只应用于所在节点

注：

• ROS在应用任何重映射之前，所有的名称需要先解析为全局名称
• 应用示例：反向海龟　　//将原始速度话题重映射为处理后的反向速度话题

5. 其他元素

（1）启动文件的嵌套：include元素

• <include file="启动文件完整路径"/>　　//通常使用find命令搜索功能包位置，避免路径输入错误，如<include file="$(find package-name)/launch-file-name"/>
• 支持命名空间属性，可以将包含内容压入指定命名空间：<include file="..." ns="namespace"/>

（2）启动参数argument：便于配置启动文件，类似可执行程序中的局部变量（仅在声明的当前启动文件内有效，不可被包含的启动文件继承）

• 声明参数：<arg name="arg-name"/>　　//声明是可选的，有助于明确启动文件的参数有哪些
• 参数赋值
• 命令行赋值　　roslaunch 包名 启动文件名 arg-name:=arg-value
• 启动文件内声明时赋值

1. 1. <arg name="arg-name" default="arg-value"/>　　//可被命令行参数覆盖
   2. <arg name="arg-name" value="arg-value"/>　　//不可被命令行参数覆盖

• 获取参数值：$(arg arg-name)
• 向包含的次级启动文件中发送参数值
  • 将arg元素作为include元素的子元素　　<include ...> <arg name="arg-name" value="arg-value"/> </include>
  • 可使用<arg name="arg-name" value="$(arg arg-name)"/> 保证内外同名参数具有相同的参数值

注：在ROS中，parameter和argument是有区别的

• parameter是ROS系统运行过程中使用的数值，存储在参数服务器parameter server中，可以被节点和用户获取（ros::param::get或rosparam）
• argument只在启动文件内有意义，不能被节点直接获取

（3）创建组group：大型启动文件内管理节点的快捷方式

• 把若干节点放入同一命名空间中：<group ns="namespace"> ... </group>
• 可以有条件地启动或禁用一个节点：<group if="0 or 1"> ... </group>　　//若属性为1，则正常启动，否则忽略组标签内元素；若 if 改为 unless 则用法相反

注：仅有0和1为合法取值，且不能使用布尔运算；也可以不使用组元素，单独为每个节点设置ns、if和unless

七、参数parameter　　//配置节点信息的集中式方法

1. 主要思想：使用集中的参数服务器维护一个变量集的值（字典），适用于不会随时间频繁变更的信息

2. 通过命令行获取参数

（1）rosparam list　　//查看参数列表，输出 /rosdistro 等全局计算图源的名称字符串

（2）rosparam get parameter_name　　//查询参数，如 rosparam get /rosdistro 得到ROS版本

（3）rosparam get namespace　　//检索给定命名空间每个参数的值，如 rosparam get / 查询全局命名空间/

（4）rosparam set parameter_name parameter_value　　//设置参数，修改已有参数的值或创建新参数

（5）rosparam set namespace values　　//设置同一命名空间的多个参数，其中值values要以YAML字典的形式给出参数和值的对应关系

（6）创建和加载参数文件（YAML形式）　　//可用于场景复现

• rosparam dump filename namespace　　//存储命名空间中的所有参数
• rosparam load filename namespace　　//读取参数至参数服务器

　　注：命名空间参数可选，默认为全局命名空间/

注：

• 所有的参数都属于参数服务器，而不是任何特定节点，即使节点终止时参数仍然存在
• 更新的参数值不会自动“推送”到节点，节点需要主动显式地向参数服务器查询参数值

3. 使用C++接口获取参数　　//参数名可以是全局的、相对的或者私有的

void ros::param::set(parameter_name, input_value);

bool ros::param::get(parameter_name, output_value);　　//读取成功返回true，否则表明参数还未指定值

注：在命令行中实现私有参数赋值 rosrun agitr pubvel_with_max _max_vel:=1　　//参数max_vel前面添加下划线_前缀  _param-name:=param-value

 4. 在启动文件中设置参数

（1）<param name="param-name" value="param-value"/>　　//设置参数，参数名是相对名称

（2）<node ...> <param name="param-name" value="param-value"/>  </node>　　//在节点元素内包含param元素，无论是否以~或/开头，参数均为节点私有参数

（3）<rosparam command="load" file="path-to-param-file"/>　　//一次性从文件中加载多个参数，等价于rosparam load

注：通常采用 file="$(find package-name)/param-file" 指定文件路径

 八、服务service

1. 与话题消息的区别

• 服务调用是双向的
• 服务调用是一对一通信

2. 执行过程：客户端节点发送请求数据到服务器节点，并且等待回应；服务器节点收到请求后，执行相应活动，随后发送响应数据给客户端节点；

3. 与话题内容由消息数据类型确定类似，服务的内容也由服务数据类型决定

4. 从命令行查看和调用服务

（1）rosservice list　　//列出所有服务

（2）服务一般可以划分为两类：

• 从特定节点获取或向其传递消息　　//通常采用节点名作为命名空间以防止命名冲突，如采用私用名称的~get_loggers服务和~set_logger_level服务会被解析为/turtlesim/get_logger和/turtlesim/set_logger_level
• 不针对某些特定节点的服务　　//例如/spawn服务用于生成一个新的仿真海龟，尽管由turtlesim节点提供，但是不属于任何特定节点（只需要完成相应功能，而不关心是哪个节点在起作用）

5. rosnode info node-name　　//查看某个节点的服务类型

6. rosservice node service-name　　//查找提供服务的节点（反向查询）

7. rosservice info service-name　　//确定服务的数据类型，通常也是由包名和类型名组成“包名/类型名”，如turtlesim/Spawn

8. rossrv show 服务数据类型名　　//获取服务数据类型的详细信息（一系列数据域），注意rosservice和rossrv的区别

注：

• 短横线---之前为请求的数据项，之后的字段为响应项
• 服务的请求和响应字段都可以为空，如turtlesim_node提供的/reset服务的数据类型为std_srvs/Empty，其请求和响应字段均为空

9. rosservice call service-name request-content　　//调用服务，提供请求域的所有值，如rosservice call /spawn 3 3 0 Mikey　在位置(3, 3)处创建一个名为"Mikey"的新海龟，朝向为0

注：

• 新海龟有自己的资源集，且位于新命名空间Mikey中　　//避免命名冲突
• rosservice call的输出为服务器节点的响应数据，如上例为 name: Mikey　　//调用成功或失败
• rosservice call /clear 从参数服务器读取参数值，刷新当前参数

 10. 客户端程序

（1）声明请求和响应类型：#include<turtlesim/Spawn.h>　　//包含头文件，定义turtlesim::Spawn类（服务数据类型）

（2）创建客户端对象：ros::ServiceClient client = node_handle.serviceClient<service_type>(service_name)　　//服务名称一般应当为相对名称，如"spawn"

注：与话题发布者不同，无需缓冲队列，会阻塞等待直至服务调用完成

（3）创建请求和响应对象　　//上述头文件中定义了请求和响应的类，通过包名和服务类型引用，如turtlesim::Spawn::

• package_name::service_type::Request　　//请求对象类，应做赋值操作
• package_name::service_type::Response　　//响应对象类，接收服务器响应消息，无需赋值

注：服务类型的头文件中还定义了一个单独类package_name::service_type，同时拥有Request和Response作为数据成员；可以定义单独对象package_name::service_type srv，而不使用独立的Request和Response对象

（4）调用服务：bool success = service_client.call(request, response)

• 完成定位服务器节点、传输请求数据、等待响应和存储响应数据等一系列工作
• 调用方法返回布尔值来确认调用服务是否成功完成

注：

• 不要忘记对调用返回值进行判断，可通过ROS_ERROR_STREAM输出可能的错误信息
• 默认情况下，调用返回后，会关闭与服务器的连接；
• 可通过ros::ServiceClient client = node_handle.serviceClient<service_type>(service_name, true)建立持续连接的客户端　　//提高了节点耦合性，系统鲁棒性变差，不建议

11. 服务器程序

（1）编写回调函数 bool function_name(package_name::service_type::Request &req, package_name::service_type::Response &resp)

注：本例中请求和响应的数据类型均为std_srvs/Empty（空字符串），无需进行数据处理

（2）与话题订阅者类似，需要创建服务器对象ros::ServiceServer server=node_handle.advertiseService(service_name, pointer_to_callback_function);

• service_name 建议使用局部名称，但不严格限制使用全局名称
• ros::NodeHandle::advertiseService拒绝接受私有名称，即以波浪号~开头的名称
• 可以利用节点自身的缺省命名空间创建私有名称服务

1. ros::NodeHandle nhPrivate("~");　　//发送给此节点句柄的任意局部名称的缺省命名空间与节点名称一致 （此句柄+相对名称 效果等价于 私有名称）
2. ros::ServiceServer server=nhPrivate.advertiseService("baz", Callback);　　//与广播名为~baz的服务效果相同

注：本例使用ros::spinOnce()而非ros::spin()，原因在于没有服务调用时还需要执行其他工作，即发布速度指令　　//与第三章 表3.5 进行对比

（3）解决ros::spinOnce() + sleep()引起的延迟问题

1. 采用双线程：一个负责发布消息，一个负责处理服务器回调
2. 采用ros::spin()，并利用计数器回调函数（timer callback）发布消息　　// http://wiki.ros.org/roscpp/Overview/Timers

 九、消息录制与回放

1. rosbag：将发布在一个或多个话题上的消息录制到一个包文件中，可用于事后回放

注：术语包文件bag files指用于存储带时间戳的ROS消息的特殊文件格式

2. 命令行工具

（1）录制包文件：rosbag record -O filename.bag topic-names　　//不指定文件名时，rosbag基于当前的日期和时间自动生成文件名；会创建新节点 /record_...

• rosbag record -a 记录当前发布的所有话题消息
• rosbag record -j 启动包文件的压缩

（2）回放包文件：rosbag play filename.bag　　//保持与原始发布相同的顺序和时间间隔

注：尽量避免系统中rosbag和“真实”节点向同一个话题发布消息

（3）检查文件包：rosbag info filename.bag　　//提供包文件的丰富信息

3. rosbag功能包

（1）rosrun rosbag record -O filename.bag topic-names；rosrun rosbag play filename.bag　　//利用record和play可执行文件

（2）在启动文件中使用包文件

• 录制节点：<node pkg="rosbag" name="record" type="record" args='-O filename.bag topic-names"/>
• 回放节点：<node pkg="rosbag" name="play" type="play" args="filename.bag"/>

注：需要提供参数

第十章 总结

1. 在网络环境中运行ROS：分布式机器人控制模式

（1）网络层配置：确保计算机之间能够互相通信

（2）ROS层配置：确保所有节点都能与节点管理器通信

2. 编写更规范的程序，如使用ros::Timer的回调函数替代ros::Rate对象

3. 使用rviz是数据可视化：订阅用户话题以显示消息

4. 创建消息和服务类型

5. 使用tf工具来管理多个坐标系：帮助节点完成坐标转换

6. 使用Gazebo仿真：高保真的机器人仿真器